Vensi威士丹利智能Zigbee無線通信指南
1天線輻射知識
1.1信號衰減曲線
2.4GHz信號的自由空間衰減是指數型的（如圖1-1所示），離信號源處一米衰減接近40dBm，但是到了遠傳，衰減就小了；距離8dBm功率輸出節點150米的位置，信號強度爲-90dBm（中間無明顯遮擋物）；到達500米，信號強度爲-97dBm，2dBm信號在遠處可以延長通訊距離將近100米的距離。
1.2全向天線輻射圖
棒狀天線全向天線並不是球型輻射，只在輻射平面上360度信號都一樣強，全向天線的輻射面這樣確定：當天線垂直地面，最佳輻射面是水平的，且正切於棒狀天線的中心。
圖1-2全向天線輻射圖
天線的角度會嚴重影響測試效果，在最佳輻射面範圍裡，信號會比非輻射面範圍大很多，近處更爲明顯。
1.3板載天線的方向圖
用來表述天線在空間各個方向上所具有的發射和接收電磁波的能力。
1.4定向天線輻射圖
定向天線指信號輻射面僅在某個區域，常見的定向天線包括平板天線和八目天線，其中八目天使的指向性最好，其方向圖如圖1-3所示。定向天線主要用於主幹網的點對點定向傳播。
圖1-3八目天線主要信號輻射圖
2天線方向匹配
爲實現最大距離通訊，測試時需要注意以下幾點：
2.1收發兩者儘量水平
發送機和接收機儘量水平放置，這樣兩者都在對方的最佳輻射面上，如所示。
圖2-1收發水平
2.2有落差時的天線調整原則
假如現場收發設備不在水平面上，有一定的落差，如果天線還是垂直地面放置，就不在最佳發射接收區域（如圖2-2所示），通訊距離會達不到預期效果。
圖2-2落差時錯誤天線擺放
在這種情況下，應該將兩個天線傾斜放置，如圖2-3所示。
圖2-3天線傾斜角度圖示
2.3天線安裝不要緊貼金屬
在某些應用中，無線設備可能會安裝在避雷針等金屬管的附近，如果直接將天線貼住金屬管，金屬管會破壞天線本身的輻射場，造成信號輻射圖變形，產生不規則的是輻射場，對傳輸很不利，與天線平行的金屬平面也會造成類似的結果建議遇到此種情況，用夾具安裝設備時，要使天線距離金屬管或者金屬平面至少10cm。
圖2-4天線安裝圖示
在無線工程中，經常需要根據現場障礙物的材質，對信號衰減做大致的評估，表格1列舉了常見的一些材質的衰減值，可以作爲施工和故障排查的參考。
表格1常見材質的信號衰減（2.4Ghz）
在計算模塊能穿幾堵牆的時候，記得要先減去離信號源1米左右，由於信號衰減特性，已經衰減掉40dBm左右，因此如果節點位於房間中央，那麼信號源8dBm計算，只能穿越兩堵牆，這種方法是2.4Ghz頻段特性。
圖3-4信號穿牆簡單計算方法
4 Zigbee網絡結構
Zigbee支持星型、樹型和網狀網，通過路由節點，可實現六跳網路；可以實現通信距離六倍的擴展。
5吞吐量和延遲
5.1 概述
在受控網絡（有線配置）中測試了吞吐量和延遲，以測試各種數據包有效荷載下的跳頻。
正常配置是測試6個跳頻。測試是使用一個源節點和一系列路由節點完成的，以便更改跳頻數量。
測試使用以下配置：
2. 延遲測試使用的數據包有效荷載爲50字節到300字節，50字節爲增量
3. 測試時開啓安全
4. 從1到6跳
5. 飛行模式下使用2個數據包（第3個在收到第1個確認時發送…）
6. 在給定確認時間的情況下儘可能快地發送
7. 測量往返延遲（源到目的地到源），以毫秒爲單位；
對於各個網狀網絡，當我們如上所述增加有效荷載大小時，數據包分段行爲不同。使用較大的數據包大小取決於應用層，但我們在此提供比較數據，以說明發生分段時的相對性能。
5.2單跳露天往返時間
5.3 Zigbee 多跳延遲
按數據包大小排序 Zigbee 往返延遲
在這個多跳延遲測試中有多個值得注意的地方：
• 對於高達250字節的1跳有效荷載，我們看到延遲非常低 (60毫秒)。
• 對於50字節的有效荷載（包含在1個數據包內），Zigbee 在6跳內保持了140毫秒以下的延遲。
• 在載荷超過150字節且跳數超過5之前，延遲保持在200毫秒以下。
5.4 Zigbee 大型網絡(192個設備)延遲
Figure 4.3. 25 字節有效荷載的 Zigbee 網絡測試
50 字節有效荷載的 Zigbee 網絡測試
測試時有以下值得注意的地方：
• 隨着數據包有效荷載的增加，設備的延遲也增加。這是預料中的正常的行爲，因爲傳輸較大的數據包需要更多時間。
• 我們看到所有測試的可靠性都是100%。注意這些是100個廣播測試。對於低於100廣播的測試，可以使用較大的測試以更好地測量可靠性。
• 隨着網絡規模的增長，我們看到延遲也會增加和擴散，這是因爲它需要多跳才能發送完所有消息。在較大的網絡中，因爲所有設備都在嘗試重複消息，所以廣播中競爭也更多。
• 該測試使用3秒的廣播間隔，即在發送下一條消息之前，給網絡一些恢復時間。下面分別顯示了各個測試中當廣播間隔減少時發生的情況。
6天線關鍵參數
6.1天線增益
在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。
1）天線一般爲無源器件，不能產生能量，天線增益體現爲將能量有效集中向某特定方向輻射或接受電磁波的能力。
2）天線的增益由振子疊加而產生，增益越高，天線長度越長。
3）天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。
6.2阻抗匹配
饋線終端所接負載阻抗等於饋線特性阻抗時，稱爲饋線終端是匹配連接的。匹配時，饋線上只存在傳向終端負載的入射波，而沒有由終端負載產生的反射波，因此，當天線作爲終端負載時，匹配能保證天線取得全部信號功率。如下圖所示，當天線阻抗爲50歐時，與50歐的電纜是匹配的，而當天線阻抗爲80歐時，與50歐的電纜是不匹配的。如果天線振子直徑較粗，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小，容易和饋線保持匹配，這時天線的工作頻率範圍就較寬。反之，則較窄。
在實際工作中，天線的輸入阻抗還會受到周圍物體的影響。爲了使饋線與天線良好匹配，在架設天線時還需要通過測量，適當地調整天線的局部結構，或加裝匹配裝置。
下圖爲LoRa 模塊及爲特殊應用預留的π型匹配電路：
6.3反射損耗
當饋線和天線匹配時，饋線上沒有反射波，只有入射波，即饋線上傳輸的只是向天線方向行進的波。這時，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等，饋線上任意一點的阻抗都等於它的特性阻抗。而當天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等於饋線特性阻抗時，負載就只能吸收饋線上傳輸的部分高頻能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。
6.4電壓駐波比（VSWR）
爲傳輸線上的電壓最大值與電壓最小值之比。當天線端口沒有反射時，就是理想匹配，駐波比爲1；當天線端口全反射時，駐波比爲無窮大。
電壓駐波比是天線高效率輻射的基本指標要求。在全頻段內VSWR，取最大值爲指標。
以上就是Vensi威士丹利智能Zigbee無線通信指南，Vensi威士丹利作爲智能家居行業的一員，Vensi威士丹利依託領先行業的智能邊緣計算網關和全系列ZigBee3.0智能芯片模組，通過多年堅持不懈的升級迭代、技術創新，受到衆多大型房地產企業、智能家電企業、智能集成商及異業跨界廠商的歡迎，也爲智能家居行業的新發展提供源動力。